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Kombinierte Spektroskopie für ultraschnelle Prozesse in Materie

Ein neues Messverfahren zur Untersuchung ultraschneller Prozesse in Materie führt unterschiedliche Spektroskopie-Methoden zusammen. Es soll unter anderem neue Einblicke in die Energiestruktur von Materie und in die Wahrscheinlichkeitsverteilung von Elektronen geben.

Forschende der Universität Freiburg arbeiten an der Weiterentwicklung der ultraschnellen, kohärenten, mehrdimensionalen Spektroskopie. Ihr Ziel ist es, unter anderem ultraschnelle Prozesse sowie kohärente Quantenphänomene und Wechselwirkungen zwischen Atomen und anderen nanoskopischen Teilchen zu untersuchen. „Dies sind die grundlegenden Eigenschaften von Materie, die die Vorgänge in der Natur auf nanoskopischer Ebene treiben. Diese Eigenschaften wollen wir durch unsere Experimente besser verstehen“, erklärt Professor Frank Stienkemeier vom Physikalischen Institut der Universität.

Ein generelles Problem in der kohärenten, mehrdimensionalen Spektroskopie ist die Komplexität der Messdaten, welche eine klare Interpretation der experimentellen Ergebnisse oft erschwert bis unmöglich macht. Die Situation verbessert sich deutlich, wenn das Experiment mit der Nutzung beispielsweise eines Massenspektrometers kombiniert wird. „Dieses Vorgehen gibt uns die zusätzliche und sehr nützliche Information über die chemische Zusammensetzung des untersuchten Stoffs – ein großer Vorteil bei der Studie ultraschneller chemischer Reaktionen“, erläutert Dr. Lukas Bruder, der ebenfalls an diesem Thema forscht.

Kombination der Verfahren erlaubt atomare Auflösung

Den Freiburger Wissenschaftlern ist es nun gelungen, die kohärente, mehrdimensionale Spektroskopie mit der Fotoelektronenspektroskopie zu kombinieren. Dabei wird der Stoff ionisiert und die Energie ausgelöster Elektronen gemessen. Dieses Vorgehen liefert Informationen über die Energiestruktur und die räumliche Wahrscheinlichkeitsverteilung der Elektronen (Orbitale) in der Materie. Kombiniert man die Fotoelektronenspektroskopie mit Röntgenlichtquellen, sind präzise Messungen mit atomarer Selektion möglich. Das heißt, dass die Energieverteilung in einem Stoff mit extrem hoher bis hin zu atomarer Auflösung untersucht werden kann.

Die neuen Möglichkeiten reichten von der Erweiterung der Methode zur simultanen energie- und winkelaufgelösten Elektronenmessung bis hin zu Experimenten mit Röntgenstrahlung, um atomspezifische Informationen zu erhalten, so Stienkemeier. Man habe die Sensitivität der kohärenten, mehrdimensionalen Spektroskopie-Experimente um Größenordnungen verbessern können: Signale, die zuvor nur 1/200 des Rauschens in der Messung ausmachten, könnten nun nachgewiesen werden. „Die erhöhte Sensitivität ermöglicht es uns, sehr saubere Proben in Ultrahochvakuumexperimenten zu untersuchen und so fundamentale molekulare Prozesse genauer zu verstehen“, ergänzt Bruder.

Quelle und Bild: www.uni-freiburg.de